1

1. Porque é que não se utilizam taxas de compressão superiores a cerca de 7,5 quando da

concepção de motores a gasolina normal? Compare com os actuais motores a gasolina super.

Se utilizássemos uma taxa de compressão superior a 7,5, teríamos a ocorrência de um aumento

significativo da temperatura o que provocaria uma auto ignição, em motores a gasolina normal.

Nos actuais motores a gasolina super, poder-se-ia utilizar uma maior taxa de compressão, uma vez que estes têm um maior índice Octano, podendo assim suportar um aumento da taxa de

compressão.

2. Diferencie os processos que desencadeiam a combustão bem como a forma de propagação da chama em motores diesel e a gasolina, referenciando eventuais limitações na concepção dos

mesmos. Compare as velocidades de propagação da chama com a velocidade instantânea do

pistão.

Nos motores a gasolina no final do curso de compressão desencadeia-se a combustão através de

uma faísca eléctrica de uma vela que se encontra colocada num ponto da câmara de combustão, sendo a partir desse ponto que a chama se propague com frente esférica em toda a câmara de

combustão.

As limitações dos motores a gasolina são: A velocidade de propagação da chama de combustão

é da ordem de 30-35 [m/s], isto é, não é muito superior á velocidade média do pistão, havendo assim uma relativa lentidão de propagação da chama o que faz com que os diâmetros dos pistãos

nestes motores não ultrapassarem os 10 centímetros.

Nos motores a diesel o ar é admitido e comprimido no cilindro atingindo assim uma temperatura elevada devido á forte compressão de tal ordem que quando o cilindro chega ao ponto morto

superior é injectado combustível na câmara de combustão criando assim a combustão.

As limitações do motor a diesel são: tem uma ignição espontânea lenta, em relação aos

diâmetros dos pistãos não existe qualquer limitação, a taxa de compressão (ρ) situa-se entre 14 a 22, valores estes se forem superiores gera solicitações mecânicas e térmicas inaceitáveis para os

órgãos do motor, sendo o valor mínimo imposto de 14 porque existe uma necessidade de se

obter na fase final da compressão uma temperatura suficientemente elevada.

3. Qual o objectivo e em que tipo de motores se justifica a sobrealimentação?

A sobrealimentação tem como objectivo aumentar o valor da pressão média do ciclo. Consiste

em aumentar o valor da pressão inicial através de um compressor, o qual que assegura a

condição de aspiração do motor independente do estado físico do ar ambiente. A

sobrealimentação é muito utilizada em motores diesel.

4. O que entende por ciclo indicado de um motor alternativo? Trace os ciclos indicados de um

mesmo motor a gasolina, comparando uma situação de ignição com avanço ideal com uma ignição adiantada.

Justifique as diferenças entre os dois ciclos, referindo as consequências desta alteração.

O ciclo indicado de um motor é o que reflecte as condições efectivas de funcionamento de um

motor, isto é, representa os valores reais de pressão e volume correspondentes as diversas

posições do pistão. Este valor obtém-se por intermédio de um aparelho denominado indicador.

Influência do ponto de ignição sobre o ciclo indicado

2

A combustão deve ocorrer perto do (PMS) para se obter o máximo de binário e potência. Como esta se inicia com a faísca, a ignição deve ser posicionada de maneira a que se obtenha o valor

máximo de pressão logo após o PMS e para isso a faísca deve ocorrer com um certo avanço

(antes) em relação ao PMS sendo esta chamada situação de ignição com avanço ideal.

Se ocorrer com uma ignição adiantada o trabalho realizado pelo pistão no seu movimento ascensional (antes de PMS) vai ser maior.

5. Deduza a expressão da potência indicada em função da pressão média indicada. Explique como é possível determinar a potência indicada de um motor alternativo de quatro cilindros,

quatro tempos, utilizando exclusivamente um freio de atrito.

Potência indicada

( ) ( )

em que

( )

Como [

]; Pi= pressão indicada; V= cilindrada

Logo

; Ni [w]; Pi [pascal]; V [m

3]

O numero de ciclos que se realizam num motor a dois tempos

(nº de ciclos) que é preciso a

uma rotação para fazer um ciclo.

O número de ciclos que se realizam num motor a quatro tempos

6. Quais os principais diferenças e respectivas causas entre os ciclos otto real e o ciclo otto

teórico?

3

Diferenças entre o ciclo Otto real e o ciclo Otto teórico:

Perdas de calor: No ciclo teórico as perdas de calor são desprezadas, já no ciclo real são

consideradas as perdas de calor e correspondem a uma perda significativa de trabalho.

Combustão não instantânea: No ciclo teórico a combustão é considerada instantânea, já no

ciclo real a combustão demora um certo tempo a decorrer e há perda de trabalho.

Tempo de abertura das válvulas: No ciclo teórico, o escape ocorre instantaneamente no

ponto morto inferior, já no ciclo real, o escape ocorre num tempo relativamente grande, tendo a válvula de escape que abrir antecipadamente para que o pistão não comprima os gases

queimados.

7. Trace o diagrama indicado de um motor a gasolina a quatro tempos, bem como a

correspondente diagrama de pressões em função do deslocamento angular da cambota. Assinale

os pontos singulares do ciclo e caracterize a sua forma.

4

Este diagrama tem como objectivo inferir (entender) a necessidade de definição dos tempos de abertura e fecho das válvulas de admissão e escape, sobre o ponto de ignição e também para

calcular os esforços que se exercem sobre os apoios das cabotas (bronzes).

Admissão

Ponto 1 (PMS): Entre 1 e 2 há uma pressão ligeiramente superior à atmosférica uma vez que se

acabou de concluir o escape. Ponto 2: Começa a introduzir a mistura. Cria-se no interior do cilindro uma pressão inferior à

atmosférica, chamada depressão na aspiração. Devido ao atrito dos gases nos colectores e nas

válvulas de admissão, a depressão da aspiração será tanto maior quanto maior for a velocidade dos gases que deve situar entre 40-60 m/s. Isto representa trabalho negativo.

Ponto 3 (PMI): Deveria começar o curso de compressão, mas não acontece porque existe ainda

uma depressão que impede a válvula de admissão de fechar. De 3 para 4 o pistão começa a subir ao mesmo tempo que continua a entrar mistura no cilindro.

Ponto 4: Quando se atinge o ponto 4 a pressão no cilindro atinge a pressão atmosférica e então

ai se fecha a válvula de admissão começa a dar-se a verdadeira compressão.

Compressão

Ocorre de do ponto 4 ao ponto 6 demorando um certo tempo a realizar-se, assim teremos que

fazer saltar a faísca antes do PMS para se conseguir pressões mais elevadas.

Ponto 5: Salta a faísca, começa a combustão, de 5 a 6 há compressão e combustão.

Ponto 6: A partir deste ponto começa a ter trabalho positivo e inicia-se também neste ponto a

expansão que é a fase que produz trabalho, devendo-se a expansão prolongar-se o mais possível, ou seja, até ao PMI (ponto 9).

Ponto 7: Ponto onde há uma pressão e temperatura máxima.

Ponto 8: Abre-se a válvula de escape, abrindo esta antes para que haja uma pressão mínima quando se inicia o escape, perdendo assim um pouco de energia de expansão para se ter menos

desperdício de energia durante o escape, daí se abre a válvula de escape. O escape ao começar

no ponto 8, antes do curso de expansão ter terminado, faz com que ocorra um escape

5

espontâneo, pois a pressão no interior do cilindro é bastante maior do que a que existe no

exterior, este escape ao ser bastante violento faz com que a pressão baixe com bastante rapidez e

prolonga-se até ao ponto 9. Ponto 9: Neste ponto atinge-se o ponto morto inferior, em que o pistão começa a subir e a

contribuir para a expulsão dos gases e aí se cria uma depressão relativamente elevada no interior

do cilindro, se os colectores estiverem bem desenhados, isto para se poder facilitar o esvaziamento do cilindro.

Ponto 10: Neste ponto inicia-se uma segunda fase do escape em que o próprio pistão que

empurra os gases de escape, sendo nesse período que se cria uma sobrepressão no escape, pela

resistência que os colectores oferecem ao escoamento dos gases, realizando assim um trabalho negativo e nem todos os gases são expulsos da câmara de combustão ficando lá alguns alojados.

Escape

No final do curso de escape ainda uma pressão superior à atmosférica, logo prolonga-se abertura

da válvula. A válvula de admissão já começou a abrir antes do PMS (ponto 1) para estar totalmente aberta

quando o cilindro estiver no PMS.

Aproveita-se os gases de entrada para empurrarem os de escape, e criar assim uma ligeira

depressão.

8. Explique o funcionamento de um freio de atrito, estabeleça a expressão que lhe permite

determinar a potência efectiva de um motor alternativo recorrendo a este tipo de equipamento.

Um freio de atrito consiste num freio aplicado à cambota que cria um momento resistente,

conhecendo este momento e o número de rotações do motor, pode-se calculara potencia

efectiva.

9. Uma técnica para aumentar o rendimento volumétrico de um motor a gasolina, é a utilização de mais de duas válvulas por cilindro.

a) Quais as sua vantagens e inconvenientes?

b) Quais as causas determinantes da sua utilização em cada vez maior número de motores de série?

a) Vantagens:

Redução das dimensões das válvulas o que implica uma maior facilidade de fecho, o que

implica um menor risco de flutuação (oscilação) e de quebra.

Melhor aproveitamento da área disponível na câmara de combustão para a colocação das

válvulas.

Possibilidade de colocação da vela de ignição no ponto ideal.

Melhor aproveitamento de inércia dos gases.

Redução das dimensões das válvulas traduz-se por uma maior facilidade de arrefecimento

das mesmas.

6

Inconvenientes:

Preço: maior número de peças implicaria preço mais elevado uma vez que esta técnica

acompanhada pela utilização de duas árvores de cames à cabeça, uma solução também cara.

Dificuldade de fundição das cabeças do motor.

Baixo rendimento volumétrico destes motores a baixa rotação, o que implica falta de

elasticidade.

b) - A partir de determinado momento custava mais fabricar menos peças com materiais de

muito boa qualidade e com grande precisão de maquinagem, do que fabricar mais peças que, por serem menos solicitadas, poderiam ser de qualidade inferior,

- Limites às emissões poluentes contidos nos gases de escape dos automóveis.

- Influência dos aspectos de marketing.

10. Diferença entre os ciclos Otto real e teórico e respectivas curvas.

Diferenças de forma

Perdas de calor (A)

-Ciclo teórico: são desprezadas as perdas de calor

-Ciclo real: são consideradas as perdas de calor, mas correspondem a uma perda significativa de

trabalho.

Combustão não instantânea (B)

- No Ciclo teórico a combustão é instantânea

- No Ciclo real a combustão não é instantânea e tem de existir o avanço do ponto de ignição, se

não, as perdas são maiores.

Tempo de abertura e fecho das válvulas de escape (C)

- No Ciclo teórico as válvulas abrem e fecham instantaneamente.

- No Ciclo real não se afecta a volume constante e dá-se a antecipação da abertura da válvula de

escape para que o pistão não comprima os gases queimados.

Diferenças nos valores da pressão e temperatura máxima

- Aumento dos calores específicos do fluído com a temperatura.

- cp e cv aumentam com a temperatura de forma que

- Aumento de temperatura implica diminuição de

- Aumento de cp e cv implica diminuição de pressão e temperatura em relação aos valores alcançados no caso de cp e cv serem igual a constantes com a variação da temperatura.

7

- Aumento de cp e cv implica diminuição de superfície e rendimento térmico.

- Dissociação na Combustão

{ {

Esta reacção dá-se por absorção de calor, consequentemente a temperatura

máxima alcançada é menor perdendo-se uma certa quantidade de trabalho.

- Uma diminuição de temperatura implica uma diminuição de trabalho.

Reassociação no final da expressão: liberta algum calor como a temperatura diminui durante a expansão, há um retrocesso na reacção de dissociação, havendo nesta fase uma reassociação

parcial com desenvolvimento de calor, recuperando-se parte de trabalho perdido.

- Perdas por bombagem (D) No ciclo teórico a admissão e escape são realizados a pressão constante, no indicado durante o

curso de a admissão a pressão no cilindro é inferior à que se tem durante o curso de escape.

O trabalho de bombagem também é compreendido no trabalho perdido por atrito.

11. Diferenças entre os ciclos diesel real e diesel teórico?

Diferenças de forma

Causas

Perdas de calor (A)

Refrigeração e radiação

Expansão implica n>k ; Compressão implica n<k

Combustão a pressão não constante (B)

- Pressão vária durante a combustão.

- Antecipação do ponto de injecção.

- Motores muito lentos forma aproxima-se do ciclo teórico.

Tempo de abertura e fecho das válvulas de escape (C)

Não se efectua a volume constante, há uma antecipação na abertura da válvula de escape o que implica válvulas não abrem nem fecham instantaneamente

8

Diferenças nos valores da pressão e temperatura máxima

Aumento dos calores específicos do fluído com a temperatura.

- cp e cv aumentam com a temperatura de forma que

- Aumento de temperatura implica diminuição de

- Aumento de cp e cv implica diminuição de pressão e temperatura em relação aos valores

alcançados no caso de cp e cv serem igual a constantes com a variação da temperatura. - Aumento de cp e cv implica diminuição de superfície e rendimento térmico.

Dissociação nos produtos de combustão

{ {

Esta reacção dá-se por absorção de calor

Não tem um efeito tão importante como no motor a gasolina, uma vez que o excesso de ar e a

composição dos produtos da combustão diminuem a temperatura máxima o que implica

diminuir a dissociação.

- Perdas por bombagem

Menor do que no ciclo Otto, uma vez que não há estrangulamento no ar de aspiração e também

pelo facto de não existir válvula de borboleta.

12. Estabeleça as diferenças entre os processos de combustão ocorridos em motores de

combustão interna de ignição comandada e ignição espontânea. Caracterize também as restrições em termos de limites inferiores e superiores das respectivas taxas de compressão.

Combustão interna de ignição comandada

Nos motores de combustão interna comandada admite-se (na admissão) a mistura ar-combustivel, mistura essa preparada pelo carburador (em alguns motores). Depois dá-se a

compressão da mistura, que depois é inflamada (combustão) por meio de uma faísca na vela.

- Restrições:

Limite superior Limite inferior Limite em motores normais

Combustão interna de ignição espontânea Nos motores de combustão interna de ignição espontânea admite-se apenas ar puro, já que

nestes motores não há carburador para preparar a mistura. Depois vai ser comprimido ar puro no

ciclo compressão, ficando bastante aquecido para que quando se dê a injecção do gasóleo este se auto-inflame devido ao calor de compressão (combustão).

- Restrições:

Limite superior (valores muito altos que podem provocar solicitações mecânicas e

térmicas inaceitáveis para os órgãos do motor).

Limite inferior (temperatura suficientemente elevada para provocar a auto-inflamação

do combustível).

9

13. Quais os motivos que têm levado à intensificação da utilização de tecnologias de

sobrealimentação em motores térmicos alternativos da industria automóvel?

Estabeleça diferenças na sua aplicação em motores a gasolina e gasóleo.

Com a sobrealimentação consegue-se introduzir no cilindro uma quantidade de fluido activo

maior do que aquela que o motor era capaz de aspirar manualmente. Os motivos para a utilização da sobrealimentação são:

Aumentar a potência por unidade de cilindrada sem grandes custos;

Obter consumos específicos mais baixos;

Compensar a diminuição da pressão atmosférica.

Nos motores a gasolina

Nos motores a gasolina é indispensável estudar um abaixamento da relação de compressão para evitar as detonações no motor, visto que com a sobrealimentação verifica-se um elevado

aumento da pressão média dentro do cilindro e ainda, estes motores quanto aos esforços

térmicos e mecânicos, vão sofrer um considerável aumento, sendo necessário um redimensionamento dos vários componentes do ponto de vista da resistência térmica e

mecânica.

Nos motores a diesel

Nos motores a diesel temos que estudar um abaixamento da relação de compressão, não por

causa das detonações, mas porque, caso contrário, os materiais do motor podem não suportar os

esforços térmicos e mecânicos, ou então, temos de aumentar a resistência térmica e mecânica.

14. Refira algumas anomalias que podem ser diagnosticadas através de um exame do diagrama

indicado.

As anomalias que podemos identificar são:

- abertura e fecho da válvula de admissão com atraso - abertura da válvula de escape muito cedo e com atraso

- o saltar da faísca muito cedo ou tarde

10

Estes dois diagramas representam um motor à plena carga e outro com carga parcial. A parte a

laranja representa a parte positiva e a parte a tracejado a parte negativa.

Com borboleta totalmente aberta a resistência à entrada da mistura é mínima, logo a superfície positiva representa o trabalho útil e é máxima.

Com a borboleta parcialmente aberta, a resistência a entrada de mistura é considerável, logo o

trabalho perdido é maior e a superfície negativa aumenta.

Nestes dois diagramas verificamos a ignição atrasada e adiantada. A faísca deve saltar antes do PMS para que a combustão se possa realizar bem, já que esta precisa de um certo tempo. A

pressão que se atinge quando salta a faísca é metade daquela que se atinge no PMS.

Se a faísca saltar com atraso, quase toda a combustão acontece depois do PMS, logo a pressão máxima que se atinge é inferior à normal.

Se a faísca saltar com avanço, grande parte da combustão ocorre antes do PMS, logo a pressão

máxima que se alcança é superior à normal.

11

Se a válvula de admissão abrir com atraso significa que há maior resistência à entrada da

mistura dentro do cilindro, logo a pressão no cilindro durante o curso de admissão é inferior à

normal, aumentando o trabalho perdido. Se a válvula de escape abrir com atraso a pressão no cilindro vai ser superior à normal durante o

curso de expansão dos gases, logo o trabalho perdido aumenta verificando-se ainda uma

excessiva quantidade de gases de combustão que permanecem no cilindro.

15. Defina rendimento mecânico de um motor de combustão interna e caracterize os parâmetros que o condicionam.

Explique como pode determinar o rendimento mecânico de um motor, tendo à sua disposição

um freio hidráulico.

Rendimento mecânico é a relação entre o trabalho útil medida na combota e o trabalho indicado,

ou a relação entre a potência efectiva e a potência medida (indicada). Os parâmetros que o condicionam são o trabalho absorvido pelo atrito do pistão e dos órgãos

auxiliares do motor (chumaceiras), bem como as perdas por bombagem (admissão e escape),

isto é, por lavagem do cilindro.

Ne => potência efectiva

Ni => potência indicada

Num freio hidráulico, temos duas turbinas e variamos a posição de uma relativamente à outra,

alterando assim a resistência por atrito.

Como sabemos que:

1) Determina-se a potência efectiva com o motor a funcionar normalmente, com auxílio do freio.

2) Desliga-se um cilindro ao motor e determina-se a Ne nesta situação.

; Neste caso para quatro cilindros.

; Neste caso para três cilindros, ou seja, com um desligado.

Como as perdas mecânicas permanecem praticamente constantes, a diferença entre( ) dá-nos a potência indicada (Ni) do cilindro que foi desligado.

( ), logo a potência absorvida, é:

( ) O rendimento mecânico será:

( )

12

16. Trace o diagrama indicado de um motor a gasolina a dois tempos de lavagem por cárter, bem

como o correspondente diagrama de pressões em função do deslocamento angular da cambota.

Assinale os pontos singulares do ciclo e caracterize a sua forma.

Ciclo indicado para um motor a dois tempos

Nota: No motor a dois tempos não há trabalho na admissão.

Dois tempos dois cursos uma volta da cambota

1º Tempo

Após a ignição, o primeiro tempo inicia-se com o pistão no PMS. A pressão levada impulsiona o pistão na direcção do PMI, desenvolvendo trabalho.

Ponto 4: A pressão atinge o máximo.

Ponto 5: Começa o escape espontâneo. O motor é projectado de maneira a que se abra a janela de admissão quando a pressão no

interior do cilindro esteja próxima da pressão no colector de admissão, uma vez que em

13

simultâneo, a mistura está a ser comprimida no cárter ou por meio de compressor. Com a

abertura da janela de admissão, dá-se a fase de lavagem.

A passagem do pistão pelo PMI ocorre, por consequente com as duas janelas abertas e a mistura a entrar no cilindro vai empurrando os gases queimados.

2º Tempo Com o pistão no ponto morto inferior, caso a compressão se efectue no cárter, a pressão no

interior do cilindro vai baixando, enquanto o cilindro estiver em contacto com a atmosfera.

Existindo compressor para a pressão se manter quase inalterada.

O cilindro começa a subir e fecha a janela de admissão. Se as condutas de escape estiverem bem projectadas, a lavagem continua, havendo mesmo alguma perda de carga fresca, fase ao

aproveitamento da inércia da coluna gasosa, sendo esta carga não recuperada.

A seguir fecha-se a janela de escape e antes de o pistão atingir o ponto morto superior é desencadeada a combustão através de uma faísca gerada na vela de ignição.

Por último o cilindro ao atingir o ponto morto superior inicia-se um novo ciclo.

Diagrama das pressões num motor a dois tempos

1º Tempo

- Combustão (pré-compressão de mistura no cárter)

- Escape

2ºTempo

- Admissão - Lavagem

- Compressão – Admissão ao cárter

1º Tempo

No ponto 3 efectua-se a ignição e se desenrola a combustão para dar origem à expansão. Esta

continua até ao pistão, em correspondência com o ponto 5, abre a janela de escape.

Como a pressão no cilindro é elevada, a fase de escape começa de modo espontâneo.

14

Imediatamente depois, quando a pressão se igualou aproximadamente à existente na conduta de

alimentação abre-se em 1 a janela de admissão, e a mistura empurrada pela pressão existente no

cárter ou originada por um compressor entra no cilindro.

2ºTempo

Neste ponto 1 começa a fase da lavagem, que se desenrola passando pelo PMI, e por encontrar-se abertas as janelas de escape e de admissão, verifica-se simultaneamente o escape de gases e a

admissão de carga nova.

Os gases novos expulsam os gases de combustão para ocupar o seu lugar.

17. Qual a razão do atraso ao fecho e o avanço à abertura das válvulas de escape.

Avanço à abertura da válvula de escape:

Para baixar a pressão dos gases antes do inicio do curso de escape, aproximando o seu valor da

pressão atmosférica, sem reduzir o trabalho de expansão.

Atraso ao fecho da válvula de escape:

Devido à “forma” gradual e progressiva como se fecha a válvula e à inércia dos gases de escape.

18. Explique as principais diferenças entre os motores de ignição por faísca e de ignição por

compressão em termos de introdução de combustível no cilindro, ignição, relação de

compressão e massa?

Introdução do combustível no cilindro:

- Nos motores de ignição por compressão a introdução do combustível é feita por injecção

dentro do próprio cilindro, na câmara de combustão. - Nos motores de ignição por faísca a introdução do combustível é feita por acção de um

carburador ou por injecção no cilindro. O combustível é misturado com o ar no colector de

admissão.

Ignição:

- A ignição num motor de ignição por compressão é feita pela elevada pressão e temperatura atingidas no cilindro aquando da compressão, para dar inicio à combustão quando o

combustível é injectado.

- A ignição num motor com ignição por faísca é feita através da introdução de uma faísca

produzida pela vela, que inflama a mistura.

Relação de compressão:

- Nos motores de ignição por compressão a relação de compressão varia entre 14 e 22. O limite superior da relação de compressão está determinado pelo peso da estrutura do motor: maior peso

implica maior relação de compressão (ρ).

- Nos motores de ignição por faísca a relação de compressão varia entre 6 e 12. O limite superior da relação de compressão está determinado essencialmente pela quantidade anti-

detonante do combustível.

Massa: O motor de ignição por compressão é mais pesado que o motor de ignição por faísca de igula

cilindrada, pois funciona a pressão consideravelmente maior, logo necessita de ser mais robusto.

19. Estabeleça a diferença entre uma combustão completa e incompleta de um hidrocarboneto?

Combustão completa: neste tipo de combustão os reagentes são transformados na totalidade em produtos de combustão.

15

Combustão incompleta: neste tipo de combustão ainda existem reagentes nos produtos de

combustão.

20. O que entende por “ar estequiométrico”?

Ar estequiométrico: é a mínima quantidade de ar para que se ocorra uma combustão completa.

21. Um dos factores que afecta o “atraso à inflamação” é o número de cetano do combustível. Indique o significado deste número e de que modo é obtido.

O número de cetano: é a capacidade do combustível se auto-inflamar com facilidade. Logo, se só por si se inflama podemos atrasar a injecção. Este número é obtido utilizando um motor

mono-cilindrico, faz-se variar a taxa de compressão, que por sua vez altera a temperaturea.

nº de cetano= % n-cetano + 0,15x% HMN

22. Os processos que compõem o ciclo Otto consideram-se como um sistema fechado ou como

de escoamento em regime permanente?

Consideramos como um sistema fechado, porque as transformações termodinâmicas ocorrem

todas dentro do cilindro.

23. O que entende como “riqueza” ou coeficiente de excesso de combustível numa reacção de

combustão?

Ar (mistura) < Ar (Estequiométrico)

( )( )

( ) ( )

(

)

Falta de ar, riqueza do combustível.

24. Defina o que é a diluição ou coeficiente de excesso de ar de uma reacção de combustão?

Diluição ou coeficiente de excesso de ar: Consiste numa mistura que contém mais ar que o necessário para uma combustão completa.

Ar (mistura)> Ar (estequiométrico)

( )

( )

( )

( )

16

25. Estabeleça as diferenças entre processos de combustão ocorridos em motores de combustão

interna de ignição comandada e ignição espontânea. Caracterize também as restrições existentes

em termos de limites inferiores e superiores das respectivas taxas de compressão.

Motor de combustão interna de ignição comandada desencadeia-se a combustão através de

faísca eléctrica de uma vela colocada num ponto da câmara de combustão. A taxa de compressão deste tipo de motores encontra-se compreendida entre 6 a 12.

- Limite superior, ρ=12, só em motores de competição de altíssima potência e rotação elevada.

- Limite superior, ρ=9,5 para motores destinados ao uso normal.

Motor de combustão interna de ignição espontânea é quando o combustível é injectado no

cilindro e o pistão comprimi e sobreaquece o ar.

A temperatura atingida pelo ar comprimido é muito elevada que faz com que as gotas de gasóleo pulverizado (acendam)

A taxa de compressão deste tipo de motores encontra-se compreendida entre 14 e 22.

- Limite superior é de ρ=22 porque se ultrapassar este valor geram-se solicitações mecânicas e térmicas inaceitáveis para os órgãos do motor.

- Limite inferior é de ρ=14 que é imposto pela necessidade de se obter no fim da compressão

uma temperatura elevada que possa provocar a auto-ignição do combustível.

26. Quais os motivos que têm levado a intensificação da utilização de tecnologias de

sobrealimentação em motores térmicos alternativos da industria automóvel? Estabeleça diferenças na sua aplicação em motores a gasolina e a gasóleo.

A sobrealimentação consiste em aumentar o valor da pressão inicial através de um compressor,

o qual assegura a condição de admissão do motor, independente do estado físico do ar ambiente. Os motivos que têm levado à intensificação da utilização de tecnologias de sobrealimentação na

indústria automóvel são, o aumento da potência e consequente do rendimento mecânico do

motor e o baixo consumo do combustível. Embora se possa utilizar dois tipos de compressores, compressor volumétrico (alternativo ou

rotativo) e compressor centrífugo, o compressor centrífugo turbo-compressor é mais utilizado

nos motores a diesel. Como a expansão dos gases de escape é aproveitada por este compressor que também comprime o ar atmosférico, aumentando o valor da pressão inicial, a potência e o

rendimento mecânico aumenta. É mais vantajoso nos motores a diesel porque são motores com

fraco rendimento mecânico e fraca potência.

27. Refira algumas das anomalias que podem ser diagnosticadas através de um exame do

diagrama indicado.

- Tempo de abertura das válvulas de escape e de admissão.

- Ponto de ignição

- Carga

17

28. Trace as curvas características de um motor a gasolina. Justifique a forma das mesmas.

(página 30 da sebenta e página 72 do livro)

1= Potência [cv]; Consumo [g/cv.h]; 2 =Binário [kg.m]

(A recta a tracejado é uma tangente a curva da potencia que corresponde ao valor de binário

máximo) Curva do binário do motor

Num motor a gasolina até certa velocidade, a inércia dos gases predomina, aumentando o enchimento. A partir de certo valor de velocidade o efeito das perdas de carga torna-se

predominante diminuindo assim o enchimento. Daí a forma de sino da curva do binário que é no

fundo a curva de rendimento volumétrico (enchimento).

Para cada valor de velocidade existe um n cujo valor depende das características do motor para o qual a massa do fluido que entra nos cilindros é a máxima possível. Para esse valor de n, Pe

(potência efectiva) e Be (binário efectivo) são máximos.

Curva de potência efectiva

Sendo a potência o produto do binário pela velocidade do motor, a forma da curva característica deriva destes dois parâmetros, simultaneamente. A potência cresce rapidamente até ao máximo

de binário, já que Be e n crescem paralelamente. A partir deste ponto o aumento do número de

ciclos por unidade de tempo compensa com vantagem a diminuição do trabalho por ciclo.

A partir do ponto A, a potência diminui porque o binário diminui bruscamente.

Curva de consumo específico

O consumo específico é uma função inversa do rendimento global. O mínimo da curva de

consumo corresponde portanto ao máximo rendimento global, não tendo relação com qualquer

ponto particular das outras curvas. O consumo mínimo verifica-se entre os máximos do binário

e potência. Porque para baixos regimes as elevadas perdas de calor através das paredes são

1 2

18

sobretudo as mais responsáveis pelo consumo elevado, já para regimes elevados são as perdas

por atrito que se tornam preponderantes.

Nos motores a gasolina a variação de consumo específico é mais sensível.

29. Considere dois motores a gasolina cuja distribuição é assegurada, em cada um deles, por uma única árvore de cames. Os motores são iguais entre si, só diferindo nos ângulos de

distribuição, os quais são os seguintes:

Motor M1: Avanço na abertura da admissão - 4º

Atraso no fecho da admissão - 50º

Avanço na abertura do escape - 51º Atraso no fecho do escape - 5º

Motor M2: Avanço na abertura da admissão - 13º

Atraso no fecho da admissão - 74º

Avanço na abertura do escape - 74º

Atraso no fecho do escape - 14º

a) Faça os diagramas de distribuição para os dois motores, assinalando as respectivas

diferenças, justifucando-as. b) O que entende por “ condutas de ressonância”?

a)

19

Avanço na abertura das válvulas de escape

- O Motor M1 tem um avanço da abertura da válvula de admissão de 4⁰ que é menor do que

motor M2 tem 13⁰, significa que o motor M2 ao abrir 13⁰ antes vai aproveitar a inércia dos

gases de escape antes da ignição e melhorar o rendimento.

O mesmo se passa com o avanço da abertura da válvula de escape. O motor M1 tem um avanço

de 51⁰ e o motor M2 de 74⁰, significa que o motor M2 vai ter menor trabalho de expansão, mas

uma expulsão mais completa dos gases de escape. Isto porque ao avançar a abertura da válvula de escape diminui a pressão dos gases antes de se iniciar o escape, aproximando o seu valor ao

da pressão atmosférica, sem diminuir o trabalho.

-Quanto ao atraso no fecho da válvula de admissão o motor M2 apresenta um atraso maior que

M1. Nota: quanto maior for o atraso no fecho da válvula de admissão maior é a inércia e maior é a

rotação.

O que pode acontecer neste caso descrito é que o motor M2 tem um maior aproveitamento da inércia do fluido que se encontra na conduta de admissão, já que a sucção é menor na zona do

ponto morto inferior.

Quanto ao atraso no fecho da válvula de escape o motor M2 também apresenta maior fecho da válvula que o motor M1, o que significa que este motor o M2 tem um maior aproveitamento da

inércia dos gases.

c) Quando as condutas são dimensionais de tal forma que a máxima pressão seja atingida no interior da câmara de combustão num instante em que fecha a válvula de admissão conseguindo

assim máximo enchimento.

Podemos aproveitar os picos das ondas da pressão no interior dos colectores de admissão.

30. Faça o esquema e legenda de um sistema de Ignição convencional, referente a um motor de

ignição comandada de 4 cilindros em linha e a 4 tempos.

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31. Explique recorrendo a um esquema e legenda, como realiza a lubrificação forçada num

motor térmico alternativo.

Uma ou mais bombas impulsionam o óleo através de tubos e canais até aos pontos a lubrificar.

O óleo retorna posteriormente ao cárter. Único usado em motores de automóveis e de aviões.

32. Explique a influência do diagrama de distribuição no comportamento a rotações elevadas.

O aumento dos tempos de abertura e fecho das válvulas de admissão e de escape aumenta a potência a altas rotações devido ao aproveitamento da energia cinética dos gases.

No caso de veículos desportivos, interessa ter máxima potência, então adoptam-se grandes

ângulos de avanço e atraso, muitas vezes combinados com o aumento das dimensões das válvulas e dos colectores.

33. Uma técnica para aumentar o rendimento volumétrico de um motor, a gasolina, é a utilização de mais válvulas por cilindro.

a) Quais as suas vantagens e inconvenientes?

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b) Quais as causas determinantes da sua utilização em cada vez maior número de motores de

série?

c) Relacione o número de válvulas e o mecanismo (sistema de ignição convencional), descrevendo a sua relação na optimização do funcionamento dos motores.

a) Vantagens:

Redução das dimensões das válvulas provoca mais facilidade de fecho, o que implica menor

flutuação, quebra e facilidade de arrefecimento das mesmas.

Melhor aproveitamento da área disponível na câmara de combustão para a colocação das

válvulas.

Colocação da vela de ignição no ponto ideal.

Melhor aproveitamento da inércia dos gases.

Inconvenientes:

Preço, porque maior número de peças implica preço mais elevado.

Dificuldade de fundição das cabeças do motor.

Baixo rendimento volumétrico destes motores a baixa rotação (falta de elasticidade)

b) As causas determinantes são:

A partir de determinado momento custava mais fabricar menos peças com materiais de alta

qualidade e com grande precisão de maquinagem, do que fabricar mais peças, que por serem

menos solicitadas, poderiam ser de qualidade inferior.

Limites Às emissões poluentes contidas nos gases de escape.

Influencia dos aspectos de marketing.

c)

Uma das vantagens de mais de duas válvulas por cilindro é a possibilidade de colocação da vela

de ignição num ponto ideal à combustão.

34. Diferencie os sistemas de ignição susceptíveis de serem utilizados em motores de explosão. Como podem ser conseguidos os avanços automáticos?

Sistema de ignição convencional

É um sistema constituído por bateria, chave de ignição, bobine, platinado, excêntrico,

condensador, rotor e velas de ignição.

Sistema de ignição transístorizada

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É um sistema constituído também por bateria, chave de ignição, bobine, platinado, condensador,

rotor e velas de ignição a diferença é que este tipo de ignição tem um transístor que funciona

como um relé que está situado depois da bobine e antes do platinado.

Sistema de ignição transistorizada com gerador magnético

É um sistema constituído por bateria, chave de ignição, bobine, transístor, um gerador que cria

um campo magnético que está situado no lugar do platinado, condensador, rotor e velas de ignição.

Sistema de ignição eléctrica

É um sistema constituído por uma unidade de comando electrónica que substitui o transístor e o

platinado. Este tipo de ignição é mais vantajoso porque não tem qualquer elemento mecânico exposto a desgaste não necessitando assim de nenhuma afinação.

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Os avanços automáticos podem ser conseguidos por uma unidade eléctrica de comando que

controla os captadores que podem ser: captadores de velocidade e posição, captadores de

pressão, captadores de temperatura, detector de detonações e controla também a alimentação assim como os elementos externos.

35. Defina, justificando, o que é a estabilidade de um motor. Compare um motor a gasolina e um

motor a diesel, sob o ponto de vista de estabilidade.

Diz-se que um motor é estável quando a curva característica do binário (Be) decresce com o

aumento do número de rotações (n), apresentando

.

- Um motor a gasolina é estável à direita do ponto de binário máximo. A estabilidade melhora-

se reduzindo a secção dos colectores de admissão, neste caso a regimes baixos o rendimento

volumétrico é máximo( ) porque existe maior efeito de inércia provocada pelos gases, embora

prejudique a potência máxima do motor, devido a perdas de cargas a regimes elevados.

- Um motor a diesel é sempre instável. Porque apresenta uma curva quase horizontal, correr

riscos de embalamento ou de paragem, consoante o sentido de variação do binário resistente. Este motor precisa também de reguladores que cortam o combustível em caso de se ultrapassar

um determinado número de rotações. Estes reguladores têm por função aumentar a tendência

negativa da curva do binário do motor em regimes baixos, elevados ou em regime fixo.

36. Explique o funcionamento do platinado de uma ignição convencional, definindo e representando num esquema o ângulo DWELL.(dúvida falar sr. Cruz) Ao abrir os platinados produz-se uma variação de um fluxo no circuito primário. O condensador carrega e descarrega de imediato e dá-se o aparecimento de uma corrente de alta tensão no

circuito secundário. Esta alta tensão é enviada para a vela indicada e dá-se a faísca da vela.

- Os platinados podem estar abertos: o que implica falta de corrente no circuito primário, não

havendo campo magnético nem presença de fluxo magnético. - Os platinados podem estar fechados o que implica passagem de corrente no circuito primário,

formação de um fluxo magnético.

O ângulo DWELL é o ângulo que o platinado faz quando está fechado.

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37. Diga qual e explique o funcionamento do sistema de lubrificação mais utilizado em motores

alternativos dos automóveis, comparando-o com os outros menos usados.

O sistema de lubrificação mais utilizada é o da lubrificação forçada, em que é utilizado uma ou

mais bombas que impulsionam o óleo através de tubos e canais até aos pontos a lubrificar.

Não há chapínagem como no sistema de lubrificação em meio de óleo, não há mistura de óleo com combustível como no sistema de lubrificação por mistura de combustível-óleo. E o óleo

retorna ao cárter por um circuito de retorno e não tem uma bomba de dosificar como um sistema

de dosificar como nos motores a diesel lentos.

38. Explique como se realiza a lubrificação por cárter seco, referindo situações da sua aplicação.

O óleo é encaminhado de um depósito ao motor através de uma bomba de dosificar, não existindo circuito de retorno, sendo só assim a única maneira para que o óleo se queima

totalmente. Este sistema é muito utilizado em motores diesel lentos.

Um pequeno resumo da matéria (algumas coisas)

Curvas características de um motor a diesel, sua explicação:

- Curva do binário do motor

No motor a diesel o refere-se apenas à quantidade de ar admitido e o combustível é

injectado de forma independente. O trabalho é apenas em função do combustível

injectado na câmara de combustão, daí que a curva do binário do motor é quase uma

recta horizontal.

Nota: No caso do motor a diesel possuir uma bomba de êmbolos, o trabalho (Le)

depende da posição da cremalheira da cambota de injecção, como a condição de haver

ar suficiente para que ocorra uma combustão completa.

-Curva da potência efectiva

No motor a diesel, como o binário efectivo (Be) é praticamente constante, a potência

cresce à medida que aumenta o número de rotações (n).

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- Curva de consumo específico

No motor a diesel a variação de consumo específico não é tão sensível quanto ao da

gasolina.

A baixas rotações as perdas de calor através das paredes são mais elevadas o que

justifica o consumo elevado.

A altas rotações as perdas são por atrito o que justifica um consumo também elevado. O

mínimo de consumo fica entre os máximos de Be e Ne.

O que é o rendimento Volumétrico ( ) e quais os factores que influenciam o

rendimento volumétrico.

O rendimento volumétrico é a relação entre a massa do ar real introduzida no cilindro

por ciclo e a massa de ar admitida em situações de reversibilidade em condições

normais de pressão e temperatura.

Em que o representa a massa de ar real.

Para aumentar o , basta:

Os factores que influenciam o : - Densidade da carga fresca e diluição originada pelos gases residuais.

Os gases residuais cedem calor o que implica a redução da densidade da mistura o que

origina uma diminuição do . Mas por outro lado os gases residuais ocupam volume.

- O desenho dos colectores de admissão e escape.

A secção dos colectores e a secção de passagem das válvulas, interferem com a

velocidade do ar e com o . Podemos ter maior potência a baixas rotações utilizando

colectores de menores diâmetros.

- Tempos de abertura e fecho das válvulas

Quanto maior for o tempo de abertura e fecho das válvulas maior é o aproveitamento da

energia cinética dos gases e maior é então a potência: ( )

Elasticidade do Motor

A elasticidade do motor condiciona as acelerações e é função do binário do motor.

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Eg => elasticidade global

Er => elasticidade de rotação: relação entre n para a potência máxima

Eb => elasticidade do binário: relação entre o valor do binário máximo e o valor do

binário onde a potência é máxima.

Optimizar o Binário

Ao utilizar carburadores (2 corpos) para atingir rotações do motor mais elevadas. Faz

com que o motor respire melhor, a rotações mais baixas o consumo é elevado para que a

combustão se faça de uma forma completa.

Inconvenientes na opção de válvulas grandes para fornecer o enchimento a altas

rotações:

1- Válvulas com maior inércia: o fenómeno de flutuação das válvulas, contrariando as

molas mais fortes, o que reduz o rendimento mecânico. Maior atrito nas cames e forte

pancada nas sedes.

2- Dificuldade de arrefecimento das válvulas

3- Falta de elasticidade do motor: devido À falta de velocidade de escoamento da

mistura gasosa da secção da válvula a baixas rotações.

Soluções para melhorar a elasticidade dos motores de mais de duas válvulas por

cilindro:

1- Colocar uma peça entre os colectores de admissão e a cabeça do motor, ou seja,

borboletas, permitindo ao motor que funcione como só tivesse uma válvula de admissão

a baixas rotações e duas válvulas de admissão a altas rotações.

2- As rotações baixas a árvore de cames actua sobre o balanceiro, abrindo assim uma

única válvula. A rotações altas uma pressão hidráulica dirigida através da conduta do

veio dos balanceiros é transmitida a um pequeno pistão que se torna solidário com o

balanceiro da segunda válvula.

3- Variação de comprimentos das condutas de admissão: através da abertura e fecho de

borboletas, obrigando os gases a passar por percursos longos e estreitos a baixas

rotações.

4- Actuação sobre o diagrama de distribuição: ângulos pequenos a baixas rotações e

ângulos grandes a elevadas rotações - variadores de fase.

Variador de fase: Vanos

Função:

Varia a posição de cada uma das duas árvores de cames, relativamente à cambota,

independentemente uma da outra.

Funcionamento

A variação dá-se através da posição de dois pequenos cilindros hidráulicos, que ao se

moveram deslocam os carretos que são de estriado inclinado. Estes carretos vão

deslocar a posição da árvore de cames, relativamente à cambota, alterando os ângulos

de abertura e fecho das válvulas.

Limitações: Não se consegue melhorar todos os ângulos em simultâneo.

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Vantagens

Apesar da limitação, em termos de potência máxima e elasticidade do motor os

resultados são bons.

Variador de fase: Vtec

Sistema concebido pela HONDA, em que cada cilindro dispõe de três cames na

admissão e três cames no escape.

Funcionamento

Ao ter duas cames diferentes uma da outra dado que cada uma delas comanda uma

válvula de admissão ou uma de válvula de escape.

Os perfis destas duas cames estão adaptados a baixas rotações (ângulos pequenos) e

levantamentos das válvulas pequenas o que implica uma velocidade de escoamento de

gases maior a baixas rotações, no entanto um perfil de uma delas está adaptado a um

levantamento das válvulas menor.

O perfil da terceira came está adaptado a latas rotações (ângulos grandes) e

levantamentos de válvulas grandes.

A baixas rotações as duas cames estão a comandar as válvulas de admissão ou de escape

através de balanceiros e a terceira came está a accionar um balanceiro.

A altas rotações são actuadas, por pressão hidráulica, os balanceiros passando as cames

três a comandar as válvulas de admissão ou de escape. Mas as duas outras cames não

tocam nos outros balanceiros, uma vez, que estes ficam solidários com o balanceiro que

está a ser accionado com as cames três.

Comparação entre o Vanos e o Vtec

Sistema Vanos

a) Aumenta gradualmente os ângulos, mas não actua em paralelo no avanço e no atraso.

Por exemplo:

Enquanto se aumenta o atraso no fecho da admissão, diminui a abertura da admissão, e

enquanto diminui o avanço do escape, aumenta o atraso do escape.

b) Não varia o levantamento das válvulas.

Sistema Vtec

a) Aumenta os ângulos paralelamente ao aumento dos levantamentos das válvulas.

b) Não faz as alterações de forma gradual mas sim por estágios.

Sistema Valvetronic

A árvore de cames não actua directamente nas touches das válvulas, mas sim num

conjunto de veios, braços e alavancas reguladas por um pequeno motor eléctrico.

A resposta do motor e a aceleração é mais rápida e suave e o consumo e as emissões são

menores.

Inconvenientes: Maior complexidade da cabeça do motor, maior volume e maior custo

de produção.

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Lubrificação

Objectivo: Impedir contacto entre as partes metálicas com movimento relativo de forma

a evitar a gripagem e diminuir o trabalho perdido por atrito.

Tipos de lubrificação: Hidrodinâmica e Untuosa

Lubrificação untuosa: é uma lubrificação feita à custa da untuosidade do óleo.

Principais propriedades dos lubrificantes:

Untuosidade: Capacidade do óleo abrir as diversas superfícies metálicas, formando

uma película lubrificante.

Viscosidade (Resistência do lubrificante ao escoamento): Uma força F aplicada a

uma superfície móvel, desloca-se a uma velocidade V, contra a resistência do fluido. As

duas superfícies tem de área S e a altura entre a superfície móvel e a superfície fixa é H.

(viscosidade absoluta ou dinâmica)

(viscosidade cinemática)

Ρ= massa especifica do fluido.

A viscosidade varia unicamente com a temperatura.

Índice de viscosidade: Variação da viscosidade coma temperatura, quando o óleo é

comparado coma a viscosidade de dois óleos de referência:

Òleo tipo Pensilvânia Índice – 100

Óleo tipo Golfo - índice O

- Quanto maior for o índice de viscosidade significa que o óleo tem uma viscosidade

baixa para uma temperatura baixa e uma viscosidade elevada para uma temperatura

elevada.

- Quanto menor for o índice de viscosidade significa que o óleo tem uma viscosidade

alta para uma temperatura baixa e que tem uma viscosidade baixa para uma temperatura

elevada.

Nota: é importante ter óleos com elevado índice de viscosidade, porque queremos que o

ponto de inflamabilidade seja o mais alto possível.

Para melhorar as propriedades dos lubrificantes podemos adiciona-se aditivos entre

outras.

Ignição

Caso em que não haverá ignição (vela):

- Fuga pelo isolante

- Sujidade no bico do isolante

- Humidade ou sujidade no isolante

- Afastamento incorrecto dos eléctrodos do isolante

A faísca nos platinados tem dois inconvenientes

- Deterioração rápida dos platinados

- A faísca na vela é fraca.

-Para se evitar estas ocorrências, deve-se utilizar o condensador.

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O condensador tem duas funções:

- Proteger a abertura dos platinados absorvendo a corrente de extro - ruptura.

- Acelerar avariação para reforçar a faísca.

Distribuidor

Tem como função repartir as faíscas pelos cilindros.

Ângulo da came ou ângulo DWELL

- É o ângulo durante o qual os platinados estão fechados.

-Ângulo mais pequeno implica uma folga grande nos platinados ou o ponto de ignição

avançado.

- Ângulo muito grande implica uma folga pequena nos platinados ou o ponto de ignição

atrasado.

Alimentação

Gasolina:

- Injector mono ponto: só um injector para todos os cilindros.

- Injector multiponto: um injector para cada cilindro.

Actualmente a injecção faz-se dentro da câmara de combustão.

Bombas de injecção:

- Directa – feita na câmara de combustão

- Indirecta – feita num pré – câmara (câmara de turbulência)

1- Bombas de injecção em linha: Têm um elemento de alta pressão por cada injector. Utilizadas em veículos pesados. 2 – Bombas de injecção tipo distribuidora (bombas rotativas) Actualmente funcionam por meio de controlo electrónico. Utilizadas em veículos a diesel com motores pequenos, como veículos automóveis a diesel com motores pequenos, como veículos automóveis ligeiros de passageiros e comerciais.

3 – Bombas de injecção de alta pressão

Sistemas common-rail (reservatório comum)

(maior do que 360 Bar até 2500bar)

Anti – poluição – Motor S.I.

Variação das concentrações de CO2, CO, HC, NO e O2 nos gases de escape secos de um

motor convencional de ignição comandada com um coeficiente de excesso de ar, λ.

CO CO2 O2

NO HC

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Recirculação dos gases de escape

Aumentando a percentagem de EGR, as emissões de NOx são reduzidas, com o

inconveniente de aumentar as emissões de HC.

Motor GDI

Neste motor as emissões de NOx são apresentadas em gráfico em função das emissões

de HC não queimados.

Motor a Diesel

Neste motor, a carga é controlada pela quantidade de combustível injectado e opera

sempre com misturas pobres.

Catalisador

O catalisador consiste na absorção dos regimes nos matériais catalíticos, seguida por reacções químicas e de absorção dos produtos, que são então enviados para a atmosfera.